تفرق شعاع نور غالبا در حدود طول موج های ۱۰۰۰nm رخ می دهد و مسئول ۹۰ درصد تضعیف نور در سیستم های نوری مدرن است. این پدیده هنگامی رخ می دهد که طول موج های نور ارسالی هم اندازه ساختارهای مولکولی فیزیکی شبکه سیلیسی باشند، بدین ترتیب طول موج های کوتاه نسبت به طول موج های بلند تر بیشتر تحت تاثیر تفرق عادی تابش ها قرار می گیرند. در حقیقت به دلیل تفرق عادی تابش ها است که آسمان به نظر آبی می آید. طول موج های کوتاه تر نور (آبی) بیشتر از طول موج های بلند تر نور پراکنده می شوند.
۳-۴-۲- جذب
جذب در نتیجه سه عامل رخ می دهد: یون های هیدورکسیل (-OH: آب) موجود در سیلیس، ناخالصی های سیلیسی و باقی مانده های حاصل از فرایند تولید. این ناخالصی ها، انرژی سیگنال ارسالی را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل می کنند و منجر به تضعیف سیگنال نوری می شوند. جذب هیدورکسیل در ۲۵/۱ و ۳۹/۱ میکرومتر صورت می گیرد: در ۷/۱ میکرومتر خود سیلیس نیز به دلیل رزونانس طبیعی دی اکسید سیلسیوم شروع به جذب انرژی می کند.
۳-۴-۳- پاشندگی
همان طور که قبلا نیز اشاره شد، پاشندگی یک اصطلاح نوری برای پخش پالس نور ارسال شده در هنگام عبور آن از فیبر است. این پدیده محدود کننده پهنای باند بوده و به دو صورت می باشد: پاشندگی چند – مد و پاشندگی رنگی[۲۷].
پاشندگی رنگی نیز به دو صورت وجود دارد: پاشندگی ماده[۲۸] و پاشندگی طول موج[۲۹]
پاشندگی چند – مد: برای درک پاشندگی چند – مد ابتدا باید مفهوم مد را متوجه شد. (شکل۳-۱۱) ، فیبری را با هسته نسبتا پهن نشان می دهد.
شکل (۳- ۱۱) فیبر با هسته پهن.
به دلیل پهنای هسته آن، پرتوهای نور تحت زوایای گوناگون ( در این مورد سه تا) وارد فیبر شده و تا گیرنده انتقال می یابند. به دلیل مسیر های پیموده شده هر پرتوی نور یا مد بطور همزمان به گیرنده نرسیده و سیگنال پراکنده ای را موجب می شوند.
حال به (شکل ۳-۱۲) نگاه کنید.
شکل (۳- ۱۲) فیبر با هسته باریک
مغزی بسیار باریکتر بوده و تنها اجازه عبور یک پرتوی نور یا مد را می دهد. این امر موجب اتلاف انرژی کمتر شده و از پاشندگی که در سیستم های چند – مد رخ می دهد جلوگیری می کند.
پاشندگی رنگی: سرعت سیر یک سیگنال نوری به طول موج آن بستگی دارد. اگر سیگنالی متشکل از چند طول موج باشد در این صورت هر یک با سرعت متفاوتی حرکت می کنند و باعث پخش و یا پراکنده شدن سیگنال می گردند. همان طور که پیشتر نیز بیان شد، پاشندگی رنگی به دو صورت پاشندگی ماده و پاشندگی موجبر است.
پاشندگی ماده: این حالت به این دلیل که طول موج های متفاوت نور درون فیبر نوری با سرعت های مختلفی سیر می کنند اتفاق می افتد. برای به حداقل رساندن این پدیده دو عامل را باید در نظر گرفت: اولین عامل تعداد طول موج هایی است که سیگنال ارسالی را تشکیل می دهند. برای مثال یک LED ، گستره ای از طول موج های ۳۰nm تا ۱۸۰ nm را گسیل می کند در حالی که لیزر، طیف باریکتری یعنی کمتر از ۵nm را گسیل می کند. بدین ترتیب، سیگنال لیزری نسبت به سیگنال LED بسیار کمتر تحت تاثیر این پدیده قرار می گیرد.
دومین عامل که در میزان پاشندگی ماده اثر دارد، ویژگی به نام طول موج مرکزی سیگنال منبع است. در مجاورت ۸۵۰nm طول موج های بلند تر یعنی قرمز سریعتر از طول موج های کوتاهتر یعنی آبی حرکت می کنند ولی در ۱۵۵۰ nm، این حالت بر عکس می شود و طول موج های آبی سریعتر حرکت می کنند. البته در این میان نقطه ای وجود دارد که میزان پاشندگی در آن به حداقل مقدار خود می رسد که در گسترده nm1310 بوده و طول موج پاشندگی صفر[۳۰] نامیده می شود. واضح است که این نقطه، محل ایده آلی برای ارسال سیگنال داده ها است زیرا اثرات پاشندگی به حداقل می رسد. همان طور که بعدا نیز خواهیم دید، عوامل دیگری نیز اثر گذار هستند، در فیبرهای تک- مد، پاشندگی ماده بسیار دردسر ساز است.
پاشندگی موجبر: به دلیل متفاوت بودن ضریب شکست های غلاف و هسته فیبر، سرعت نور در هسته کمی کمتر از سرعت نور در غلاف است. این امر منجر به پاشندگی می شود ولی با تغییر طول موج به مقدار بخصوصی می توان پاشندگی موجبر و ماده را به حداقل رساند.
فکر می کنید این مطالب چه ارتباطی با انتقال سرعت بالای صدا، تصویر و داده داشته باشد؟ اطلاع از اینکه در کجا پاشندگی و تضعیف نور صورت می گیرد به مهندسان طراح نوری کمک می کند تا با در نظر گرفتن نوع فیبر و مسافت و عوامل دیگری که بر شدت سیگنال ارسالی اثر می گذارند، بهترین طول موج ارسالی را تعیین کنند. به منحنی (شکل ۳-۱۳) نگاه کنید که قلمروی انتقال نوری و همچنین نواحی بروز مشکل را نشان می دهد.
شکل (۳- ۱۳) منحنی تغییرات اتلاف بر حسب طول موج
تضعیف dB/km روی محور y و طول موج بر حسب نانومتر در راستای محور x نشان داده شده اند.
توجه کنید که چهار پنجره انتقال[۳۱] در نمودار وجود دارند. اولین پنجره در حدود ۸۵۰nm، دومی ۱۳۱۰nm، سومی در ۱۵۵۰nm و چهارمی در ۱۶۲۵nm می باشند. دو پنجره آخر باند L و باند C نامیده می شوند. در ابتدا باند ۸۵۰ nm به دلیل تطابق آن با طول موج LED مورد استفاده قرار گرفت.
دومین پنجره در ۱۳۱۰nm از پاشندگی پایین برخوردار است. در اینجا اثرات پاشندگی به حداقل می رسند. ۱۵۵۰nm یا به اصطلاح باند c موج ایده آل برای سیستم های دور برد می باشد. در این ناحیه افت و پاشندگی به حداقل می رسد. باند L نسبتا جدید بوده و پنجره موثر دیگری محسوب می شود. یک باند جدید به نام باند s نیز تحت بررسی می باشد.
توجه کنید که تفرق رایلی در ۱۰۰۰nm یا حدود آن رخ می دهد در حالی که جذب هیدوکسی در ۱۲۴۰nm و ۱۳۹۰ nm صورت می گیرد.
نیازی به ذکر این مطلب نیست که طراحان شبکه از نقاطی روی منحنی که تفرق رایلی رخ می دهد اجتناب کردند. تفرق رایلی، افت زیاد و جذب هیدوکسیل، بالاترین تاثیر را در آن نقاط دارند. توجه داشته باشید که در پنجره دوم نمودار، خط پایینی یا پاشندگی به حداقل مقدار می رسد در حالی که در پنجره سوم، خط بالائی یا افت سیگنال به حداقل مقدار ممکن می رسد. در حقیقت، در فیبر تک- مد در طول موج ۱۳۱۰nm پاشندگی به حداقل رسیده در حالی که در ۱۵۵۰nm افت به حداقل مقدار می رسد. دراین صورت این سوال مطرح می شود: شما خواهان به حداقل رساندن کدام کمیت هستید، افت یا پاشندگی؟
خوشبختانه امروزه مجبور به این انتخاب نیستید. اکنون [۳۲](DSF) ها بسیار متداول شده اند. مهندسان با اصلاح فرایند ساخت قادر به تغییر نقطه ای هستند که در آن حداقل پاشندگی از ۱۳۱۰nm تا ۱۵۵۰nm وجود دارد و در نتیجه قادر به تطابق آن به نقطه ای می باشند که افت به حداقل می رسد یعنی افت و پاشندگی در یک طول موج رخ می دهند. به همین دلیل در فصلهای بعدی پایان نامه از فیبر (DSF) و طول موج منبع نوری در حدود nm1550 استفاده می کنیم.
۳-۴-۴- اثرهای غیر خطی های فیبر
همان طور که تقاضای بازار برای انتقال سیگنال به مسافت بیشتر با حداقل تقویت و تعداد طول موج های بیشتر در هر فیبر و در عین حال نرخ ارسال بیت های بالاتر و توان بیشتر، افزایش یافت یکسری عیوب تحت عنوان غیر خطی های فیبر مهندسان را به چالش خواند. این مشکلات فراتر از افت و پاشندگی بود و موانع اجرایی مهمی محسوب می شدند.
دو موضوع اساسی منجر به این غیر خطی شدن گردیدند. موضوع اول ( و شاید مهمترین) این حقیقت است که ضریب شکست هسته فیبر نوری رابطه مستقیمی با توان سیگنال ارسالی درون آن دارد. هر چقدر سیگنال ارسالی قوی تر باشد، اختلال نیز بزرگتر خواهد بود. به دلیل این رابطه، برای به حداقل رساندن مشکل قوی دو کار را باید در نظر گرفت. اولین اقدام به حداقل رساندن توان ارسالی سیگنال است که ظاهرا باعث کاهش افت سیگنال می شود. عیب اینکار در این است که مسافت انتقال را محدود کرده و روش مطلوبی به حساب نمی اید زیرا توان کمتر به معنای این است که برای مسیر های دور- برد باید از تقویت کننده های بیشتری استفاده نمود. خود تقویت کننده ها نیز مشکل دیگری را ایجاد می کنند. راه حل دوم که قابل قبول تر است به حداکثر رساندن سطح موثر فیبر[۳۳] است که مقیاسی برای سطح مقطع عرضی هسته فیبر حامل سیگنال ارسالی می باشد. با افزایش سطح موثر فیبر، توانائی فیبر در جمع آوری سیگنال افزایش یافته و نیاز برای سیگنال بسیار قوی کم تر می شود ]۱۹[.
رابطه ویژه بین توان انتقال و ضریب شکست محیط موجب سه نوع پدیده غیر خطی نوری می شود: مدولاسیون خود- فاز (SPM)[34]، مدولاسیون فاز متقاطع [۳۵](XPM) و مدوله سازی متقابل.[۳۶]
مدولاسیون خود- فاز (SPM) : اگر مدولاسیون خود- فاز رخ دهد، پاشندگی رنگی باعث ایجاد مشکل می شود. در هنگام حرکت پالس نور در طول فیبر، لبه ابتدایی فیبر، ضریب شکست مغزی را افزایش داده و باعث تغییر به سمت رنگ آبی طیف می شود. از طرف دیگر لبه انتهایی فیبر ضریب شکست مغزی را کاهش داده و باعث تغییری در جهت رنگ قرمز طیف می شود. این پدیده باعث پراکندگی یا پخش سیگنال ارسالی می شود. پدیده فوق در سیستم های فیبری رخ می دهد که یک پالس سیگنال را در فیبر انتقال دهند و به مقدار پاشندگی رنگی فیبری بستگی دارد. هر چقدر پاشندگی رنگی بیشتر صورت گیرد، SPM بیشتری نیز ایجاد می شود. با بهره گرفتن از فیبرهایی که سطح موثر بزرگتری دارند می توان با این پدیده مقابله کرد.
مدولاسیون فاز متقاطع (XPM): هنگامی که چند سیگنال نوری از درون یک هسته فیبر عبور می کنند، هر یک نسبت به میزان توان خود، ضریب شکست را تغییر می دهند. اگر حالتی پیش بیاید که سیگنال ها همدیگر را قطع کنند (بهم برخورد کنند)، باعث تغییر شکل (اعوجاع) یکدیگر می شوند. اگر چه XPM مشابه SPM است ولی یک تفاوت مهم دارد: مدولاسیون خود- فاز مستقیما تحت تاثیر پاشندگی رنگی است ولی مدولاسیون فاز متقاطع کمی تحت تاثیر پاشندگی رنگی قرار می گیرد. برای کاهش اثر XPM باید از فیبرهایی با سطوح موثر بزرگ استفاده کرد.
اثرات مدوله سازی متقابل: همان طور که مدولاسیون دو فازه از تداخل همزمان چند سیگنال ایجاد می شود، مدولاسیون متقابل باعث ایجاد فرکانس های ثانوی که محصول جانبی سیگنال اصلی محسوب می شوند می گردد. فیبر های دارای سطح موثر بزرگ می توانند اثرات ناخوشایند مدولاسیون متقابل را کاهش دهند.
۳-۴-۵- مشکلات پراکندگی
پراکندگی در شبکه سیلیسی دومین اختلالی محسوب می شود که دو اثر غیر خطی مهم دارد پراکندگی تحریک شده بریلوئن (SBS) و پراکندگی تحریک شده رامان (SRS).
پراکندگی تحریک شده بریلوئن SBS: (SBS) پدیده ای است که با توان سیگنال ارتباط دارد. تا زمانی که توان سیگنال نوری ارسال شده کمتر از حد آستانه یعنی در حدود ۳ میلی وات باشد، SBS مشکلی محسوب نمی شود. حد آستانه به سطح موثر فیبر بستگی دارد و به دلیل اینکه DSF سطح موثر کمتری دارد حد آستانه آن ها پایین تر است، به علاوه حد آستانه متناسب با پهنای پالس لیزری اولیه نیز می باشد. با پهن شدن پالس، حد آستانه افزایش می یابد. بدین ترتیب از چند تکنیک برای گسترده نمودن پالس لیزری استفاده می شود. با اینکار حد آستانه تا ۴۰ میلی وات افزایش می یابد.
SBS از تاثیرات متقابل سیگنال نوری درون فیبر با ارتعاشات اکوستیکی شبکه سیلیسی سازنده فیبر ایجاد می شود. رزونانس شبکه سیلیسی باعث می شود که قسمتی از سیگنال دوباره به سمت منبع سیگنال منعکس شود که این امر منجر به نویز، افت سیگنال و کاهش نرخ ارسال بیت کلی سیستم می گردد. اگر توان سیگنال فراتر از حد آستانه باشد قسمت اعظم سیگنال منعکس می شود که منجر به افزایش حالت فوق می شود.
باید توجه داشت که در حقیقت دو نوع پراکندگی بریلوئن وجود دارد. اگر میدان های الکتریکی نوسان کننده درون فیبر نوری با رزونانس اکوستیکی طبیعی ماده فیبر اثر متقابل بر هم داشته باشند، توزیع معکوس نور ایجاد می شود. این پدیده پرا کنش بریلوئن نام دارد. در صورتی که میدان الکتریکی از خود سیگنال نوری حاصل شده باشد، خود سیگنال این پدیده را باعث می شود که در این حالت نیز پراکندگی تحریک شده بریلوئن نام می گیرد.
خلاصه: SBS به دلیل توزیع معکوس، مقدار نوری را که به گیرنده می رسد کاهش داده و سبب اختلالات نویز می شود. این مشکل در بالای حد آستانه سریعا افزایش یافته و اثر بدتری بر طول موج های بلندتر نور دارد. حقیقتی دیگر آمپلی فایرهای موجود در خط نوری از قبیل آمپلی فایرهای فیبری اربیوم (EDFA)[37] (منظور از اربیوم همان عنصر Er است) که باعث افزایش این مشکل می شوند. اگر چهار آمپلی فایر نوری در طول یک فاصله نوری وجود داشته باشند، حد آستانه تا یک چهارم کاهش می یابد. راه حل جلوگیری از SBS استفاده از لیزرهای دارای پالس پهن تر و فیبرهای دارای سطح موثر بزرگتر است.
پراکندگی تحریک شده رامان SRS: (SRS) مشکلی است که از تداخل سیگنال ها ایجاد می شود. در SRS کانالهای توان- بالا و دارای طول موج کوتاه، توان را به کانال های ضعیف تر و دارای طول موج کوتاه تر وارد می کنند. این پدیده هنگامی رخ می دهد که یک پالس نوری متحرک در فیبر با شبکه کریستالی سیلیس بر هم اثر گذاشته و باعث ایجاد توزیع معکوس شده و طول موج پالس کمی تغییر کند. SBS پدیده پراکندگی وارونه محسوب می شود در حالی که SRS یک پدیده دو طرفه بوده و سبب پراکندگی وارونه و تغییر طول موج می شود که نتیجه نیز تداخل کانال های مجاور می باشد.
نکته مثبت این موضوع این است که SRS در توان های بالا نزدیک به یک وات رخ می دهد. بعلاوه با بهره گرفتن از فیبر های دارای سطح موثر بزرگتر می توان آن را کاهش داد.
۳-۵- انواع فیبر نوری
می دانیم که فیبر ها به مرور زمان و به روش های گوناگونی ایجاد شده اند بطوری که به انواع گوناگونی به وجود آمدند تا بتوانند نیاز بازار را برطرف کنند.
۳-۵-۱- فیبر چند مدی
اولین فیبر های نوری، فیبر های چند مدی بودند که به اشکال گوناگونی تولید شدند. دلیل نامگذاری آن ها به صورت چند – مد این بود که امکان انتقال بیش از یک پرتوی نور یا مد مجزا از درون آن ها بطور همزمان وجود داشت. قطر هسته فیبر چند مدی نیز نسبتا زیاد بود. (شکل ۳-۱۴ و ۳-۱۵)
شکل (۳- ۱۴) فیبر چند مدی
شکل (۳- ۱۵) مقطع عرضی فیبر چند مدی
